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激光修銳樹脂結(jié)合劑砂輪的試驗(yàn)研究

時(shí)間:2011-05-30 08:39:31 來源:未知

1 概述

樹脂結(jié)合劑砂輪為密實(shí)型砂輪，這種砂輪在整形后，磨粒之間還填充著大量結(jié)合劑，沒有足夠的容屑空間，磨粒裸露高度不足，因此必須再進(jìn)行修銳。
樹脂結(jié)合劑砂輪的激光修銳是最近發(fā)展起來的一種新的修銳方法。因?yàn)槟チ：徒Y(jié)合劑材料的熱物理參數(shù)相差很大(樹脂熔點(diǎn)約為200℃，SiC磨料熔點(diǎn)約為2000℃)，所以在激光作用下，可使結(jié)合劑熔蝕和汽化而磨粒基本不受影響，從而達(dá)到修銳的目的，并且可以通過調(diào)節(jié)激光修銳的工藝參數(shù)對修銳效果進(jìn)行精確的控制。
為了評(píng)價(jià)樹脂結(jié)合劑砂輪激光修銳的效果，必須對砂輪修銳前后的表面形貌進(jìn)行精確測量。對砂輪表面形貌的測量有很多方法，近年來，新的三維曲面測量方法得到發(fā)展，其中三維掃描方法在砂輪表面形貌的測量中得到應(yīng)用。這類方法可以快速精確地復(fù)現(xiàn)砂輪表面完整的三維形貌。

圖1 激光三角法測量原理

2 試驗(yàn)原理及條件

本文在砂輪表面形貌測量試驗(yàn)中將采用激光三維掃描方法。測量系統(tǒng)為Replica500高速激光三維掃描系統(tǒng)，采用激光三角法對三維形貌進(jìn)行測量，測量重復(fù)精度達(dá)到0.05mm。測量原理如圖1(a)所示:激光器LA輸出的激光照射在物體表面上并產(chǎn)生漫反射，其漫反射光通過透鏡組L1聚焦到PSD(位置敏感器件)上，激光器，透鏡組和PSD器件組成掃描頭，當(dāng)掃描頭沿x軸方向移動(dòng)時(shí)，三維表面上反光點(diǎn)的位置在z軸方向不斷變化，光點(diǎn)在PSD器件上所成的像的位置相應(yīng)發(fā)生變化，其位置值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，并可通過三角關(guān)系計(jì)算得出表面測量點(diǎn)處的z方向高度值。
在Replica500系統(tǒng)上采用光刀而非光點(diǎn)進(jìn)行測量。激光器發(fā)出的激光光幕與y-z平面平行，照射在被測物體表面形成具有一定寬度的光刀，光刀的寬度應(yīng)保證其在PSD上的像的寬度不超過PSD的最小分辨距離，否則將會(huì)影響測量精度，本文試驗(yàn)中取光刀寬度為200µm。如圖1(b)所示，光刀與y軸平行，這樣一次就可以得到一條y軸方向直線上的z值變化。通過光刀沿x方向的掃描，就可以得出整個(gè)表面的完整的三維形貌。
砂輪激光修銳采用電子工業(yè)部第十一研究所研制的脈沖YAG激光加工機(jī)，激光加工機(jī)由固定激光器和X-Y移動(dòng)工作臺(tái)組成。激光器的功率、脈寬和頻率均可調(diào)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：脈沖頻率，1,5,10,20,50Hz分檔可調(diào)；脈沖寬度，0.3ms,0.5ms,2ms,4ms四檔任選；燈電壓：300～1150V連續(xù)可調(diào)；當(dāng)脈寬小于0.5ms時(shí)，燈電壓可達(dá)1300V；最大輸出功率6kW；激光脈沖頻率變動(dòng)范圍受脈寬限制，如下表所示：
脈寬ms0.30.524頻率Hz<50<40<20<10
表1 激光脈沖頻率和脈寬關(guān)系
X-Y工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步距為6.25µm，工作臺(tái)最高限速為8mm/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

激光修銳選用46#粒度SiC砂輪，修銳前首先用單點(diǎn)金剛石修整筆對砂輪進(jìn)行整形，樹脂結(jié)合劑砂輪在用金剛石修整筆修整后，磨粒之間仍被大量結(jié)合劑填充，沒有足夠的容屑空間，所以這時(shí)砂輪不具備磨削性能，必須進(jìn)行修銳。
磨粒裸露高度是評(píng)價(jià)樹脂結(jié)合劑砂輪修銳效果的一個(gè)重要參數(shù)。如圖2所示，以砂輪表面最外層為基準(zhǔn)，可通過不同切入深度下的峰點(diǎn)總數(shù)來描述不同高度磨粒的分布情況，這些峰點(diǎn)的數(shù)目變化趨勢可近似反映此深度的磨粒數(shù)目變化趨勢。#p#分頁標(biāo)題#e#
圖2 修銳前后砂輪最外表面下100µm區(qū)域內(nèi)峰點(diǎn)分布情況
用激光三維掃描方法對修銳后的砂輪表面形貌進(jìn)行測量，并按圖3所示方式對修銳前后的砂輪表面磨粒裸露高度進(jìn)行分析，取切入深度為100µm，切得的修銳前后砂輪表面峰點(diǎn)分布情況如圖2所示。圖2(a)所示為砂輪上一塊2.5×2.5mm面積mm上在未修銳之前的峰點(diǎn)分布情況，因?yàn)閳D中平坦區(qū)面積很小，可見此時(shí)的切入深度已接近于凹坑最低點(diǎn)，說明砂輪表面的起伏基本在最外表面100µm下的范圍內(nèi)。如圖所示，這時(shí)砂輪表面的突起部分基本是連通的，很少有尖銳獨(dú)立的峰點(diǎn)，表明這時(shí)磨粒之間填充著大量結(jié)合劑。圖2(b)所示為這塊面積上在修銳后的峰點(diǎn)分布情況，可見圖中平坦區(qū)面積有所增加，說明砂輪表面的起伏范圍增加。更重要的是，這時(shí)砂輪表面的突起不再表現(xiàn)為連通的整體，而是出現(xiàn)了大量獨(dú)立的小的峰點(diǎn)，這說明經(jīng)過激光修銳，磨粒之間填充的結(jié)合劑被去除，砂輪獲得了一定的容屑空間。
圖4所示是砂輪表面一段沿周20mm長度內(nèi)峰點(diǎn)總數(shù)明顯上升，峰點(diǎn)數(shù)隨切入深度的變化變得較為劇烈，當(dāng)切入深度為150µm時(shí)，峰點(diǎn)數(shù)目變化趨于平穩(wěn)，磨粒的等高性也得到了改善。

圖3 峰點(diǎn)高度分布示意圖
圖4 修銳前后不同切入深度下磨粒數(shù)目的變化
當(dāng)修銳參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，修銳后砂輪表面峰點(diǎn)數(shù)反而有所降低，如圖中曲線4、5。這說明修銳參數(shù)不當(dāng)反而造成了砂輪表面形貌的惡化。由此可見，用激光對樹脂結(jié)合劑砂輪進(jìn)行修銳時(shí)存在一個(gè)合適的修銳參數(shù)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，激光修銳可以獲得較好的效果，在此范圍之外，修銳反而可能會(huì)造成砂輪表面形貌的惡化。因此必須仔細(xì)選擇砂輪的激光修銳參數(shù)。

4 結(jié)論

  1. 使用激光三維掃描方法對砂輪表面形貌進(jìn)行測量有足夠的精度，能反映砂輪表面的形貌特征
  2. YAG激光器光束直徑及能量調(diào)整范圍能夠滿足對樹脂結(jié)合劑砂輪進(jìn)行修銳的要求，可以獲得較好的砂輪表面形貌，使砂輪表面磨粒裸露高度和有效磨粒數(shù)增加，而且磨粒的等高性也得到一定程度的改善，說明激光修銳樹脂結(jié)合劑砂輪是圖4所示是砂輪表面一段沿周向20mm長度內(nèi)完全可行的。
  3. 激光器類型的選擇很重要，在進(jìn)行砂輪修銳試驗(yàn)研究中，建議選擇連續(xù)型YAG激光器，這樣可精確控制修銳效果，精確獲得所需的磨粒裸露高度和磨粒數(shù)目。
  4. 激光修銳樹脂結(jié)合劑砂輪存在一個(gè)合適的修銳參數(shù)范圍，修銳參數(shù)不當(dāng)有可能造成表面形貌的惡化。確定樹脂結(jié)合劑砂輪激光修銳的合理的參數(shù)將是今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。